بهینه‌سازی آرایش شافت کامپوزیتی تحت پیچش با استفاده از الگوریتم‌های ژنتیک و ازدحام ذرات

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه یزد، دانشکده مهندسی مکانیک

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

چکیده
بهینه‌سازی شافت کامپوزیتی تحت گشتاور پیچشی در پژوهش‌های پیشین، با فرض ثابت بودن گشتاور و با هدف کمینه‌کردن جرم انجام شده است. در پژوهش حاضر، علاوه بر لحاظ کردن جرم، اجازه تغییر میزان گشتاور اعمالی تا پیش از خرابی در اولین لایه نیز داده شده تا بتوان در عین وزن پایین، از ظرفیت باربری کامپوزیت بهره بیشتری برد. از همین رو، تابع هدف به‌صورت بیشینه‌کردن نسبت "گشتاور به جرم T/m" در نظر گرفته شد. برای انجام بهینه‌سازی از دو الگوریتم ژنتیک و ازدحام ذرات استفاده شد. پارامترهای ورودی مسئله شامل تعداد لایه، ضخامت و زاویه هر لایه و گشتاور اعمالی بوده و قیدِ تعریف شده، عدم وقوع خرابی در لایه‌های کامپوزیتی (با احتساب معیار خرابی سای – وو در نرم‌افزار اجزای محدود آباکوس) بود. همچنین مسئله فوق برای مقایسه اثر نوع تابع هدف، با در نظر گرفتن جرم کمینه بعنوان تابع هدف با دو الگوریتم فوق بررسی شد. نتایج نشان از آن دارد که الگوریتم ژنتیک، برخلاف الگوریتم ازدحام ذرات، همگرایی مناسبی را داشته است. همچنین استفاده از شافت کامپوزیتی (فارغ از نوع تابع هدف) تا بیش از 80% باعث کاهش جرم در مقایسه با شافت فولادی شده است. ضمناً گرچه شافت کامپوزیتیِ پیشنهادی توسط تابع هدف T/m بیشینه، جرم بیشتری نسبت به شافت پیشنهادی با تابع هدف جرم کمینه دارد، ولی توانسته گشتاوری 8.5 برابری را تحمل کند؛ بدین معنی که با افزایش وزن نسبی در حد منطقی، ظرفیت بارپذیری شافت تا 8.5 برابر افزایش‌یافته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Optimization of Composite Shaft Subjected to Torsional Loading by Using Genetic Algorithm and Particle Swarm Optimization Methods

نویسندگان English

Mahdi Heydari Meybodi 1
Hamid Arjmand 2
Ghasem Azamirad 2
1 Department of Mechanical Engineering, Yazd University
2 Department of Mechanical Engineering, Yazd University, Yazd,, Iran
چکیده English

Optimization of composite shafts subjected to torsional loading has been investigated in the previous studies by considering the constant value of load and so, minimization of shaft mass was defined as the objective function (OF). In the current study, maximization of the torque to mass (T/m) ratio was considered as OF. To do so, the Genetic Algorithm (GA) and Particle Swarm Optimization (PSO) methods were utilized. The number of layers, thickness and angle of each ply as well as the applied torque were considered as the input variables. Moreover, preventing of failure in composite shaft, based on Tsai-Wu failure theory developed in Abaqus finite element software, was defined as the constraint of optimization problem. Also, in order to investigate the effect of OF type, in addition to the T/m, the mass was also defined as OF in a separate optimization problem. The results revealed that despite PSO, GA had suitable convergence in the optimization. Moreover, in spite of the type of OF, using a composite shaft compared to the steel one, had at least 80% mass reduction. Furthermore, although the predicted composite shaft via T/m OF has more mass compared to that predicted via m OF, it can tolerate torsional loading up to 8.5 times more. This point can increase the load carrying capacity of composite shaft.

کلیدواژه‌ها English

Optimization
Composite Shaft
Genetic Algorithm
Particle Swarm Optimization
[1] Manjunath K, Rangaswamy T. Ply stacking sequence optimization of composite driveshaft using particle swarm optimization algorithm. Int J Simul Multisci Des Optim. 2014;5.
[2] Rangaswamy T, Vijayarangan S. Optimal sizing and stacking sequence of composite drive shafts. Mater Sci (Medziagotyra). 2005;11:133-9.
[3] Soliman ESMM. Optimization of ply-laminated stacking sequence for composite drive shaft. J Fail Anal Preven. 2023;23:176-90.
[4] Manideep C, Raja E. Analysis and optimization of composite propeller shaft for automotive applications. J phys conf ser. 2022;2272:012027.
[5] Almurshedi ASN, A HA, Saad HAK. Driving shaft optimizations based on static analysis for various material constriction. Eurasian J Eng Tech. 2022;3:12-23.
[6] Khoshravan MR, Paykani A. Design of a composite drive shaft and its coupling for automotive application. J appl res technol. 2012;10:826–34.
[7] Dharmadhikari SR, Mahakalkar SG, Giri JP, Khutafale ND. "Design and analysis of composite drive shaft using ansys and genetic algorithm” A critical review. Int J Mod Eng Res. 2013;3:490-6.
[8] Henry TC, Mills BT. Optimized design for projectile impact survivability of a carbon fiber composite drive shaft. Compos Struct. 2019;207:438-45.
[9] Rangaswamy T, Vijayarangan S, Chandrashekar RA, Venkatesh TK, Anantharaman K. Optimal design and analysis of automotive composite drive shaft. International Symposium of Research Students on Materials Science and Engineering 2002. 1-9.
[10] Khalkhali A, Nikghalb E, Norouzian M. Multi-objective optimization of hybrid carbon/glass fiber reinforced epoxy composite automotive drive shaft. Int J Eng. 2015;28:583-92.
[11] Dinesh D, Raju FA. Optimum design and analysis of a composite driveshaft for an automobile by using genetic algorithm and Ansys. Int J Eng Res Appl. 2012;2:1874–80.
[12] Savran M, Ayakdaş O, Aydin L, Dizlek ME. Design and optimization of glass reinforced composite driveshafts for automotive industry In: Aydin B, Artem HS, Oterkus S, editors. Designing engineering structures using stochastic optimization methods: CRC Press; 2020.
[13] Arabyarmohammadi E, Mohammadiun M, Saadi M, Mohammadiun H. Optimization of shell and tube heat exchangers using heuristic algorithms. J Solid Fluid Mech. 2018;8:153-63. (in Persion)
[14] Coello CAC, Lamont GB, Veldhuizen DAV. Evolutionary algorithms for solving multi-objective problems: Springer, 2007.
[15] Kaw A. Mechanics of composite materials: CRC Press, 2006.
[16] Karami JS, Sheikhi MM, Manafi D, Chaechi O. Optimization of internal pressure and axial feed in metal composite Al-Cu tubes hydroforming process with genetic algorithm. J Sci Tech Compos. 2017;4:275-82. (In Persion)
دوره 4، شماره 1
بهار 1403
صفحه 64-85

  • تاریخ دریافت 16 آذر 1402
  • تاریخ بازنگری 25 اسفند 1402
  • تاریخ پذیرش 11 فروردین 1403